DE4141927A1 - Verfahren und vorrichtung zum schweissen von werkstuecken aus superlegierungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftrags- oder Verbindungsschweißen von Werkstücken aus Superlegierungen mittels Lichtbogenschweißens unter Schutzgas mit einem Lichtbogen zwischen einer Schweißelektrode und einem Werkstück, das durch eine Zusatzenergiequelle vorgewärmt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus DE-PS 28 31 702 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird die Vorwärmung mit einer Zu­ satzenergiequelle, die von einem Plasmalichtbogen einer nicht abschmelzenden Elektrode gebildet wird, erreicht. Der vorwär­ mende Plasmalichtbogen der nicht abschmelzenden Elektrode wird dabei wenigstens zum Teil schräg in einen Lichtbogen einer abschmelzenden Elektrode eingeflutet.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es nicht auf auslage­ rungsgehärtete Superlegierungen anwendbar ist, da der Ein­ wirkungsbereich der Zusatzenergiequelle in Form eines Plasma­ lichtbogens äußerst begrenzt und thermisch nicht präzise re­ gelbar ist.

Ein Verfahren zum Schweißen, Schmelzen oder Erhitzen eines Werkstücks mittels Lichtenergie ist aus DE 22 57 739 bekannt. Dieses wird in abgeänderter Weise zum Vorwärmen von Superle­ gierungen unter Schutzgas eingesetzt. Die Abänderung besteht darin, daß bei dem angewandten Verfahren die Lichtenergie nicht wie in DE 2 25 739 auf das zu erwärmende Objekt ge­ bündelt wird, sondern Parallelstrahler das Werkstück groß­ flächig erwärmen. Das Schweißen wird beim angewandten Ver­ fahren nicht mittels Lichtenergie durchgeführt, sondern er­ folgt durch Lichtbogenschweißen unter Schutzgas.

Ein Nachteil des angewandten Verfahrens ist, daß mit den be­ züglich Baugrößen- und Heizleistungsverhältnis eingeschränkten Parallelstrahlen das gesamte Werkstück auf Vorwärmtemperatur aufgeheizt wird und dazu erhebliche Vorwärmzeiten von mehr als 5 Minuten erforderlich sind. Gleichzeitig wird der Schutzgas­ behälter nachteilig teilweise mit aufgeheizt. Schließlich ist die Lichtquelle aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte ein hoher Kostenfaktor, da die Lebensdauer der Lichtstrahler bei der erforderlichen hohen Leistung stark begrenzt ist. Ferner wird bei diesem Verfahren nicht nur der zu schweißende Werk­ stücksbereich, sondern auch das Schutzgas konvektiv über den bestrahlten Schutzgasbehälter, der das Werkstück aufnimmt, erhitzt, so daß eine erhebliche Wärmebelastung für die Mitar­ beiter bei der Anwendung dieses Vorwärm- und Schweißverfahrens auftritt. Mit diesem Verfahren ist ein hoher Energieverbrauch verbunden. Ferner sind Kühlvorrichtungen in besonders kri­ tischen Bereichen des Schutzgasbehälters erforderlich.

Aus US-PS 41 41 127 ist ein Verfahren zur Reparatur von Tur­ binenschaufeln mittels Auftragsschweißen von Superlegierungen bekannt. Bei diesem Verfahren werden die Schweißspannungen nachträglich durch einen Temperprozeß bei 1 200°C für 1 Stunde abgebaut. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß dieser Reparaturprozeß mit nachgeschaltetem Temperprozeß nicht für alle ausscheidungsgehärteten Superlegierungen zulässig ist und die Gefahr der Rißbildung beim Durchlaufen des Temperatur­ bereichs des sogenannten Duktilitätsloches bei γ′ Bildnern so­ wie des Werkstückverzugs beim Schweißen und beim Tempern nicht ausgeschlossen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, wobei Energie eingespart, die Vorwärmzeit verkürzt und die thermische Belastung von Schutz­ gasbehälter und Mitarbeiter reduziert wird sowie eine präzise Steuerung und Regelung der Vorwärmtemperatur eine riß- und verzugsfreie Auftrags- oder Verbindungsschweißung von Su­ perlegierungen ohne negative Beeinflussung des Grundwerk­ stoffes auch während anschließender Wärmebehandlungen ge­ währleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß zu­ nächst das Bauteil auf eine Vorwärmtemperatur im thermischen Einflußbereich der Schweißstelle mittels einer induktiven Heizung als Zusatzenergiequelle aufgeheizt wird, und anschließend auf die Oberfläche des Werkstücks oder in den Schweißstoß artgleiches Material mittels Lichtbogenschweißens aufgetragen oder eingebracht wird.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß durch induktive Erwär­ mung der Schweißbereich auf eine Temperatur, die einer für den Werkstoff des Werkstücks bekannten Spannungsfreiglühtemperatur entspricht, präzise vorgewärmt wird. Womit ein kon­ tinuierlicher Spannungsabbau auf einen für die Rißbildung un­ kritischen Restwert der residenten Schweißeigenspannungen ver­ bunden ist.

Induktive Heizer und induktive Heiztechniken sind an sich be­ kannt und werden in der Kristallzucht, beim Herstellen von Hochtemperaturschmelzen oder beim Vakuum- oder Schutzgaslöten mit Hochtemperaturloten eingesetzt. Ihre Vorteile beim Licht­ bogenschweißen unter Schutzgas waren für den Schweißfachmann bisher nicht naheliegend, da die Schmelzzone beim induktiven Heizen immer auf das Innere einer Spule beschränkt ist. Eine Schweißzone müßte demnach für eine effektive Vorwärmung des Werkstücks im Innern eines Induktors angeordnet werden, was eine negative Beeinflussung des Lichtbogens und einen unzu­ reichenden Arbeitsraum für die Elektrodenführung für den Schweißfachmann bedeutet.

Werden Schmelzinduktionsöfen lediglich zum Erwärmen von Bau­ teilen eingesetzt, so umgibt die dafür einzusetzende, übli­ cherweise auf Keramik- oder Quarzglasrohr gewickelte Induk­ tionsspule das zu erwärmende Bauteil vollständig, was gleich­ zeitige Schweißmanipulationen am Bauteil nicht zuläßt.

Eine positive Wirkung der induktiven Vorwärmung für das Schweißen von Superlegierungen besteht darin, daß die Vor­ wärmtemperatur schon innerhalb weniger Sekunden erreicht wird und damit kritische Temperaturbereiche unterhalb der Vorwärm­ temperatur schnell durchfahren werden. Der kontinuierliche Spannungsabbau beim Schweißen mit induktiver Vorwärmung ver­ hindert darüber hinaus kritische Spannungsüberlagerungen in­ folge von Gefügeumwandlungen (feine c′ Ausscheidungen), die bei auslagerungshärtenden Superlegierungen beim Durchlaufen mittleren Temperaturen unterhalb der Vorwärmtemperatur Volu­ menschwundspannungen bei gleichzeitiger Versprödung (Duktilitätsloch) und damit Rißbildungen verursachen.

Für ′-ausscheidende Superlegierungen liegt die Vorwärmtempe­ ratur bei 900 bis 1 100°C. Die Windungen der Induktionsspule sind wassergekühlt und unterliegen vorteilhaft keinem Ver­ schleiß.

Bei einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird die Vorwärmtemperatur mittels eines Reglers, der in Wirkverbindung mit einem Pyrometer und einem Hochfrequenzgenerator steht konstant gehalten. Das hat den Vorteil, daß zunächst innerhalb von wenigen Sekunden mittels induktiver Erwärmung die Vor­ wärmtemperatur erreicht wird und beim längerandauernden Schweißen gleichmäßig beibehalten wird. Dazu wird der Pyro­ metermeßfleck auf die dem Schweißbereich abgewandte Seite des Werkstücks justiert, und die induktive Heizung mit einer In­ duktionsfrequenz zwischen 150 KHz und 500 KHz gefahren.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist einen Schutzgasbehälter zur Aufnahme des Werkstücks auf. Dieser ist mit einer Rohrdurchführung zur Zuführung von Schutzgas und mit mindestens einer Drehdurchführung zur Mani­ pulation des Werkstücks bestückt. Das Werkstück ist im Bereich der Schweißung innerhalb des Schutzgasbehälters von einer ge­ kühlten Induktionsspule umschlossen, die mit einem Hochfre­ quenzgenerator 12 über Hochfrequenzdurchführungen im Schutz­ gasbehälter in Wirkverbindung steht, wobei zur Überwachung der Vorwärmtemperatur ein Pyrometer außerhalb des Schutzgasbe­ hälters angeordnet ist.

Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß das Werkstück innerhalb des Hochfrequenzfeldes einer oder mehrerer Induktions­ spulenwindungen gedreht werden kann, um eine optimale Position des Werkstücks und seiner Schweißstelle in Relation zur Induk­ tionsspule, zum Pyrometer und zur Schweißelektrode mit Schweißbrenner und Schweißdraht einzustellen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Werkstück unter gleichzeitiger Einwirkung von Induktionsheizung und Lichtbogenschweißung be­ arbeitet werden kann. Die Vorrichtung gewährleistet außerdem eine gegenüber einer Lampenvorwärmung verminderte Aufheizung des Schutzgasbehälters und des Schutzgases.

Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß das Pyrometer über ein optisches Fenster im Schutzgasbehälter auf einen Meßfleck ausgerichtet ist, der sich auf einer von der Schweißstelle abgewandten Seite des Werkstücks befindet. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß Schweißtemperatur und Vorwärmtemperatur nicht über das Werkstück gekoppelt werden und Fehlmessungen der Vorwärmtemperatur während des Schweiß­ prozesses vermieden werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Vorrichtung ist die Drehdurchführung als Drehhubdurchführung ausgebildet, so daß vorteilhaft ein größerer Manipulationsbereich entsteht und die Vorrichtung für die unterschiedlichsten Werkstückgrößen einsetzbar wird. Ferner ist vorzugsweise mindestens ein außer­ halb des Schutzgasbehälters angeordneter Manipulator zur Schweißelektrodenführung beim Lichtbogenschweißen innerhalb des Schutzgasbehälters vorhanden, wodurch eine Schweißung in einem nach allen Seiten geschlossenen Schutzgasbehälters mög­ lich wird. Dazu weist der Schutzgasbehälter optische Fenster zur Überwachung, Regelung und Steuerung des Vorwärm- und Schweißprozesses auf.

Die folgende Fig. 1 soll anhand eines Ausführungsbeispiels Vorrichtung und Verfahren verdeutlichen.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung weist einen Schutzgasbehälter 1 zur Aufnahme des Werkstücks 7 auf. Dieser ist mit Rohrdurchführungen 14 und 15 zur Zu- und Abführung von Schutzgas in den Pfeilrichtugnen D und H und mit mindestens einer Dreh-Hubdurchführung 2 zur Manipulation des Werkstücks 7 in den Bewegungsrichtungen B und C bestückt. Das Werkstück 7 ist im Bereich der Schweißstelle 16 innerhalb des Schutzgasbe­ hälters 1 von einer gekühlten Induktionsspule 8 mit beispiels­ weise zwei Windungen umschlossen, die mit einem Hochfrequenz­ generator 12 über Hochfrequenzdurchführungen 17 und 18 im Schutzgasbehälter 1 in Wirkverbindung steht. Ein Mikro­ manipulator 19 zur Schweißelektrodenführung beim Lichtbo­ genschweißen innerhalb des Schutzgasbehälters 1 ist außerhalb des Schutzgasbehälters 1 angeordnet und kann die Schweißelek­ trode 20 mit Schweißbrenner und Schweißdraht 31 in den Pfeil­ richtungen E und F sowie um eine Achse in Richtung G kippen. Die Übertragung der Bewegung erfolgt beispielsweise über ein elektrisch isoliertes Kugelgelenk 38, das in eine verschieb­ liche Glasplatte aus Quarz als Sicht- und Überwachungsfen­ ster 22 eingearbeitet ist. Ferner ist der Schutzgasbehälter 1 mit einem zusätzlichen optischen Fenster 23 zur Überwachung und Regelung des Vorwärmprozesses mittels eines Pyrometers 11 bestückt. Das Pyrometer 11 mißt die Vorwärmtemperatur des Werkstücks 7 an einer vom Lichtbogen abgewandten Stelle des Werkstücks 7, um Fehlmessungen der Vorwärmtemperatur auszu­ schließen.

Das Pyrometer steht über die elektrischen Leitungen 24 mit einem Regler 30 und dem Hochfrequenzgenerator 12 in Wirkver­ bindung, der über das Hochfrequenzanpaßglied 9 die wasserge­ kühlte Induktionsspule 8, die beispielsweise aus zwei Windun­ gen gebildet wird, mit Energie versorgt. Die wassergekühlte Induktionsspule 8 besteht in diesem Beispiel aus einem in ein Isolationsmaterial eingegossenen Kupferrohr. Das Isolations­ material ist temperatur- und oxidationsbeständig und soll elektrische Überschläge und Kurzschlüsse zwischen Induktions­ spule 8 und der Schweißelektrode 20 oder einem WIG-Schweiß­ brenner vermeiden. Um die Sicherheit zu erhöhen werden Hoch­ frequenzgenerator 12 und Schweißstromquelle 29 potentialge­ trennt angeordnet.

Nach Einschalten des Hochfrequenzfeldes erreicht das Werkstück 7 innerhalb von weniger als 12 Sekunden im Bereich der Schweißstelle 16 eine Vorwärmtemperatur zwischen 900 und 1 100°C. Im Bereich des Risses 10, der zu einem Schweißstoß ausgeschliffen wurde, kann nun eine Schweißung mit Hilfe der vom Manipulator 19 geführten Elektrode 20, die gleichzeitig den Schweißdraht 31 in ihrem Zentrum führt, erfolgen. Um den gesamten Riß 10 zu schweißen, kann entweder das Werkstück 7 über die Drehhubdurchführung 2 oder die Schweißelektrode 20 über das Kugelgelenk 20 mit dem Schiebesitz 25 optimal posi­ tioniert und nachgeführt werden.

Das Werkstück 7 ist dazu auf einer Werkstückaufnahme 6 befe­ stigt, die über ein Rohr 13 in Pfeilrichtung B gehoben oder gesenkt und in Pfeilrichtung C gedreht sowie mit Schutzgas in Pfeilrichtung A versorgt werden kann. Ist das Werkstück 7 ein Hohlbauteil oder wie in diesem Beispiel eine mit Kühlkanä­ len 26 ausgestattete Triebwerksschaufel, so können die Hohl­ räume oder Kühlkanäle 26 von der Werkstückaufnahme 6 aus mit Schutzgas in Pfeilrichtung K gefüllt werden.

Über die Gaszuleitung 5 wird in Pfeilrichtung D ein Netz von Rohrleitungen am Boden des Schutzgasbehälters 1 mit Schutzgas versorgt. Dieses Netz von Rohrleitungen ist beispielsweise von Stahlwolle 3 umgeben, um eine Gleichverteilung des Schutzgases am Boden des Schutzgasbehälters 1 zu erreichen. Das Schutzgas strömt danach durch die gelochte Bodenplatte 4 in den Arbeits­ raum 28 des Schutzgasbehälters 1 und umspült während des ge­ samten Verfahrens gleichmäßig die äußeren Oberflächen des Werkstücks 7.

Claims (5)

1. Verfahren zum Auftrags- oder Verbindungsschweißen von Werkstücken aus Superlegierungen mittels Lichtbogen­ schweißens unter Schutzgas mit einem Lichtbogen zwischen einer Schweißelektrode und einem Werkstück, das durch eine Zusatzenergiequelle vorgewärmt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zunächst das Bauteil (7) auf eine Vor­ wärmtemperatur im thermischen Einflußbereich der Schweiß­ stelle (16) mittels einer induktiven Heizung als Zusatzener­ giequelle aufgeheizt wird, und anschließend auf die Ober­ fläche des Werkstücks (7) oder in den Schweißstoß art­ gleiches Material mittels Lichtbogenschweißens aufgetragen oder eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmtemperatur mittels eines Reglers (30), der mit einem Pyrometer (11) und einem Hochfrequenzgenerator (12) in Wirk­ verbindung steht, konstant gehalten wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Schutzgasbehälter (1) zur Aufnahme des Werkstücks (7) und mit einer Rohrdurchführung (14) zur Zu­ führung von Schutzgas, mit mindestens einer Drehdurch­ führung zur Manipulation des Werkstücks (7), dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Werkstück (7) im Bereich der Schwei­ ßung (16) innerhalb des Schutzgasbehälters (7) von einer ge­ kühlten Induktionsspule (8) im Schweißbereich umschlossen ist, die mit einem Hochfrequenzgenerator (12) über Hoch­ frequenzdurchführungen (17 und 18) im Schutzgasbehälter (1) in Wirkverbindung steht, wobei zur Überwachung der Vorwärm­ temperatur ein Pyrometer außerhalb des Schutzgasbehälters angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrometer (11) über ein optisches Fenster (23) im Schutz­ gasbehälter (1) auf einen Meßfleck ausgerichtet ist, der sich auf einer von der Schweißstelle (16) abgewandten Seite des Werkstücks (7) befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Drehdurchführung als Drehhubdurchführung (2) ausgebildet ist und daß mindestens ein außerhalb des Schutzgasbehälters (1) angeordneter Manipulator (19) zur Schweißelektrodenführung beim Lichtbogenschweißen inner­ halb des Schutzgasbehälters (1) vorhanden ist und der Schutzgasbehälter (1) optische Fenster (22 und 23) zur Über­ wachung, Regelung und Steuerung des Vorwärm- und Schweiß­ prozesses aufweist.